信号素3F及其受体神经纤毛蛋白在肿瘤微环境中的研究进展

楚师成，高学军，宋云浩，吴天宇

作者单位：滨州医学院烟台附属医院胸外科，山东 烟台264000

肿瘤被认为是孤立的细胞团块，独立存在于器官特定部位的时代早已一去不复返了。目前的观点认为，肿瘤与细胞外基质、血管、结缔组织和免疫细胞在其周围环境中的相互作用构成肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME）促进肿瘤的生长、侵袭和转移。肿瘤细胞的免疫逃避、生理耐受以及局部和全身的侵袭性由其所处的肿瘤微环境决定，不同的微环境造就了不同的肿瘤特性。信号素（semaphorins，SEMA）是肿瘤微环境的重要调节因子，在癌症中的调节作用不容忽视。一方面，肿瘤的进展和转移扩散取决于癌细胞的固有属性，如存活、自我更新以及迁移和侵袭性的能力。另一方面，肿瘤间质包括内皮细胞、成纤维细胞和免疫系统细胞与癌细胞进行活跃的分子串扰。在肿瘤血管中过度表达的神经纤毛蛋白（neuropilin，NRP）会导致肿瘤播散及其他不良结果。本研究对肿瘤微环境中信号素3F（semaphorins 3F，SEMA3F）及其受体NRP在肿瘤微环境中的作用进行综述。

1 SEMA

SEMA 是一类分泌型、跨膜型和糖磷脂酰肌醇连接的糖蛋白，在脊椎动物中，信号素家族的20 多个成员已经被识别出来，并根据结构特性被划分为5 个类别（SEMA 3-7）；第3 类信号素为分泌蛋白，第4-6类信号素为跨膜蛋白，第7类信号素为膜相关蛋白。信号素最初被描述具有轴突导向分子的功能，在神经元发育过程中起调节神经元网络作用，但现在已经认识到，它还具有非神经元特性，包括血管生成、炎症和肿瘤发展。

近年来，信号素被发现参与到血管和肿瘤生物学中，它可以弱化体外内皮细胞迁移和肿瘤细胞外侵，也可以抑制体内肿瘤的进展、转移和血管生成。其中3 类信号肽可以抑制肿瘤细胞和对肿瘤进展起关键作用的基质细胞类型，如血管内皮细胞；也可以利用NRP 和丛状蛋白（Plexin）诱导肌动蛋白细胞骨架坍塌，最终达到抑制肿瘤细胞和内皮细胞迁移和运动的目的。然而，也有一些3 类信号素，如SEMA3C 和SEMA3E，具有双重活性，由于具有激活Plexin-B1 受体的能力和被切割的SEMA3E 激活ErbB2（表皮生长因子受体2）等特性而同时具有诱导和抑制肿瘤进展的作用。

SEMA3F 被认为是一种潜在的肿瘤抑制因子，其主要作用在于抑制多种癌细胞的生长、侵袭和转移。首先，它可以直接抑制肿瘤细胞的存活、黏附、运动和侵袭，如在乳腺癌中，癌细胞的附着和片状脂质的延伸可以被SEMA3F 抑制。其次，它在体外和体内的高转移肿瘤细胞中的表达持续下调。同时表达SEMA3F 的肿瘤细胞在体外抑制细胞黏附、迁移以及体内肿瘤血管生成和转移，如过度表达SEMA3F 的黑色素瘤细胞在体外迁移减少，并导致体内良性肿瘤表型。最后，SEMA3F 可以抑制血管生成过程中的细胞黏附、迁移和微血管萌发等步骤从而对血管内皮细胞产生直接影响。利用SEMA3F 对激活整合素以及对血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和碱性成纤维细胞生长因子的抑制来减少肿瘤血管的生成。表达SEMA3F的肿瘤细胞可以产生类似于信号素诱导的轴突排斥反应来排斥淋巴内皮细胞。作为肿瘤抑制基因，SEMA3F 映射到人类染色体3p21.3 上的一个区域，该区域杂合性的丢失已被证实与肺癌的发生相关。在肺癌中，SEMA3F 的过度表达与致瘤性降低相关。在纤维肉瘤细胞系中，SEMA3F 已被证明会导致其完全丧失致瘤性。良性肿瘤细胞表达SEMA3F，而高转移的肿瘤细胞不表达SEMA3F，这表明转移潜能和SEMA3F 表达之间存在反向关系。

作为肿瘤微环境中的重要组成成分，SEMA3F对肿瘤细胞和周围的非肿瘤细胞包括巨噬细胞、成纤维细胞和内皮细胞等有多方面的影响。SEMA3F是一种分泌性生理mTOR（哺乳动物雷帕霉素靶体蛋白）抑制剂，通过磷脂酰肌醇3 激酶-蛋白激酶B/哺乳动物雷帕霉素靶体蛋白（PI-3K-Akt/mTOR）信号通路来抑制肿瘤生长、血管生成和转移（图1）。SEMA3F 也可与血管内皮生长因子-C（vascular endothelial growth factor-C，VEGF-C）竞争性结合神经纤毛蛋白-2（neuropilin-2，NRP2）从而抑制淋巴管生成。SEMA3F 体外抑制VEGF 诱导的转录与翻译以及体内的强大的抗肿瘤作用使其成为肿瘤微环境调节剂成为可能。

图1 信号素3F-神经纤毛蛋白2/丛蛋白相互作用介导的调控信号通路示意图[5］

2 NRP

1987年，在非洲爪蟾蜍中Takagi 等通过免疫荧光法在其神经组织的冷冻切片中发现了一种跨膜糖蛋白家族的多功能非酪氨酸激酶受体-NRP。它 包 括神经纤毛蛋白-1（neuropilin-1，NRP1）和NRP2 两个亚型。NRP1 和NRP2 两个基因，结构域和功能域同源性约有50%。细胞外结构域分为三个子结构域，2个CUB结构域同源性区域（a1和a2）、2 个凝固因子Ⅴ/Ⅷ同源性区域（b1 和b2），它们是配体结合域；1 个含有MAM 结构域的C 区域，这些区域是二聚反应的关键。各种脉管细胞及神经组织之所以在萌发及生长过程中表现为不同的生物学特性，就是得益于不同亚型的NRP 蛋白上的不同位点具有辨别SEMA或VEGF的能力。

NRP1 和NRP2 都是胚胎血管发育必不可少的早期基因。但NRP 自身不能启动信号通路，需要与神经丛蛋白或血管内皮生长因子受体（VEGF receptors，VEGFRs）等受体相互作用才能发挥生物学效应。血管内皮细胞膜的表层的NRP1 通过与VEGF 及其受体形成NRP1/VEGF/血管内皮生长因子受体2（VEGF receptors 2，VEGFR2）复合体来促进血管生成及肿瘤的发生。NRP1 还可与VEGF 及其受体外的（如血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor，PDGF）和血小板衍生生长因子受体（platelet-derived growth factor receptor ，PDGFR））其他生长因子结合，对细胞增殖及血管生成形成重要影响。此外，NRP1 可以通过不依赖于VEGF-VEGFR2 途径的Abelson 酪氨酸激酶（Abelson tyrosine kinase，ABL）途径促进血管生成。还有，肿瘤生长可在纤维连接蛋白与NRP1 结合后激活ABL 得到促进。肿瘤治疗中单独抑制VEGF-VEGFR2 通路的局限性在抑制NRP1 后得到克服，这为肿瘤的靶向治疗提供新思路。

NRP2 可 与VEGF-A165、VEGF-A145、VEGF-C和PLGF（胎盘生长因子）结合并在淋巴管内皮细胞膜的表层表达，正常淋巴管与肿瘤间质淋巴管的萌发生长和淋巴道转移被其所调控。研究表明，在VEGF-C 介导的VEGFR3 信号通路和发育性淋巴管生成中NRP2 扮演了重要角色。此外白血病、黑色素瘤和神经母细胞瘤等非上皮性肿瘤中也检测到了NRP2 的存在。已成为潜在的免疫治疗靶点的肿瘤相关巨噬细胞（Tumor-associated macrophages，TAM）以免疫沉默的方式吞噬肿瘤微环境（Tumor microenvironment，TME）中凋亡的肿瘤细胞，维持免疫抑制的微环境，从而达到对肿瘤的发生和抗肿瘤免疫反应的调节。NRP2 可以在巨噬细胞的分化过程中被肿瘤细胞诱导表达，其也可以影响巨噬细胞的吞噬功能。以CD8T 和NK 细胞浸润为特征的抗肿瘤免疫反应在因TAM中NRP2缺失导致肿瘤细胞清除障碍、肿瘤内继发性坏死增加以及免疫耐受破坏的情况下被重新启动。这提示胞吐与免疫抑制之间可能由NRP2 作为介质形成连接。此外，在骨肉瘤和结直肠癌中，肿瘤转移及预后与NRP2的表达程度密切相关，并且通过短发夹RNA 沉默NRP2的表达减少了肿瘤的发展。

3 SEMA3F-NRP复合物

NRP 作为SEMA 的关键受体之一，最经典的作用是作为3类分泌型SEMAs的结合蛋白。除了与Plexin-D1 直接结合的SEMA3E 之外，3 类SEMAs 需要NRP 作为辅助受体来介导信号传递。NRP 受体具有非常短的胞内域，在某些情况下不需要这些结构域来传递SEMA 信号，但是NRP 与各种信号转导受体（包括丛蛋白和细胞黏附分子）一起工作，并且可以作用于稳定SEMA/受体之间的相互作用。NRP1 和NRP2 可以结合SEMA3B 和SEMA3C，而通常认为NRP2 只对SEMA3F 和SEMA3G 具有较高的结合亲和力。但Nasarre 等发现SEMA3F 可能能够使用NRP1 转导信号，对于表达NRP1 但不表达NRP2 的乳腺癌MDA-MB-231 细胞，SEMA3F 可成功抑制其肿瘤形成，SEMA3F 对其应无抑制作用，但在其细胞中NRP1 的含量高，因此认为NRP1 是SEMA3F 形成对肿瘤细胞抑制作用的媒介，而且使SEMA3F 得到了高表达。同时SEMA3F 对这类细胞衍生肿瘤的抗血管新生作用的抑制增强了这种效果。但在MCF-7 细胞中，其仅表达SEMA3F 及NRP1，因此在含有MCF-7 的肿瘤中，SEMA3F 缺乏抗肿瘤作用，由于含有MCF-7 的肿瘤细胞中NRP1 受体浓度较低以及NRP2 表达下调，导致SEMA3F 诱导抗血管生成作用降低，减弱了其抗肿瘤的作用。因此在不同的细胞中，SEMA3F对NRP的结合力不同，不可把SEMA3F认为是纯NRP2的结合剂。

信号素控制肿瘤细胞行为信号素作为多功能信号，能够控制肿瘤细胞的多种功能，从生存、增殖和凋亡到细胞黏附和迁移。信号素可能是由肿瘤微环境中的细胞（如浸润的白细胞）释放的，也可能是由癌细胞释放的，癌细胞可以建立自己的自分泌调节环。细胞存活、增殖和凋亡共同决定癌症进展的细胞行为的基本变化包括生长信号的自给自足、无限的复制潜力和避免凋亡。SEMA3F作为NRP的一种特定配体，它与NRP2 的相互作用在体外可抑制血管内皮生长因子的表达，降低mTOR 诱导的细胞活化反应以及使稳定的细胞骨架遭到破坏。存在于异种移植物中表达NRP2 的肿瘤会被体内局部和全身超量生成的SEMA3F 抑制其生长。SEMA3F 通过抑制VEGF 的产生和分泌，阻断VEGFNRP 结合，从而抑制肿瘤细胞的生成特性。已经有多个研究小组证明SEMA3F可以抑制多种肿瘤的肿瘤生长、淋巴生成和转移，如黑色素瘤、骨肉瘤、卵巢癌、结肠癌和肺癌。这些肿瘤的VEGF-C 表达、T分期、淋巴结转移、淋巴管浸润、淋巴管密度与NRP2 的表达呈正相关。而SEMA3F 的低表达与分化差、淋巴结转移率高显著相关。表达高水平VEGF-C 或NRP2，或低水平SEMA3F 的患者复发风险更高，总生存期更短。如在肺癌中Zeb-1（E-box转录抑制因子）直接结合SEMA3F基因的启动子，抑制SEMA3F 转录。SEMA3F 通常被认为是一种肿瘤抑制基因，在实体瘤中它的表达表现为下调，但它在白血病和淋巴瘤中的功能可能不同，有待于进一步验证。而NRP2 被认为是某些实体肿瘤的潜在治疗靶点，并且阻断抗体和其他靶向工具已经在小鼠模型中得到了验证。同时NRP1 已被作为癌症治疗的寡肽候选药物成功地用于靶向治疗淋巴瘤细胞。SEMA3F 的缺失是神经内分泌肿瘤的一个肿瘤前事件，而其受体NRP2 也可作为神经内分泌肿瘤的潜在治疗靶点。

Bagri 等的研究表明NRP2 受体在VEGF-C 和SEMA3F 中都是常见的，这两种配体在调控血管生成和淋巴管生成方面可能存在竞争关系，SEMA3F通过与VEGF-C 竞争与NRP2 结合而抑制淋巴管生成，发挥抗肿瘤作用。SEMA3F可以抑制体外VEGF诱导人脐静脉内皮细胞的存活和增殖也可以抑制体内VEGF 诱导血管的生成；然而，这种抑制不是通过SEMA3F 和VEGF 之间的竞争介导的，而是在需要活跃的SEMA3F介导的信号传导的细胞内水平上进行调节。SEMA3F 过度表达是否可用来抑制VEGF 的促血管生成和有丝分裂效应，以及当加入抗VEGF 治疗时，外源性SEMA3F 治疗是否具有相加或协同作用，仍需要进一步的研究去阐述。因此，针对SEMA 及其受体NRP 的干预可能是对抗癌症进展的一种新的治疗策略。

细胞周期阻滞、凋亡、DNA 修复和抗血管生成在内的四大类主要基因被认为参与了p53调节的肿瘤抑制的核心机制。肿瘤的萌发与生长与血管的产生密不可分，因此抗肿瘤的重要步骤是阻断肿瘤血管的生成。p53 可激活抗血管生成因子基因的转录。SEMA3F 及其受体NRP2 作为肿瘤抑制基因p53的直接靶基因，可能在肿瘤发生过程中介导p53调节的抗血管生成，参与了抑癌通路。抗血管生成介质TSP1（血小板反应蛋白-1）和BAI1（脑特异性血管生成抑制因子1）是p53 的转录靶基因已被熟知。除了这些以外，SEMA3F 已成为第三个抗血管生成的靶基因。

慢性炎症、自身免疫性疾病、癌症辅助治疗以及同种异体移植排斥反应可以通过靶向mTOR信号通路实现。mTOR 是由mTOR、Raptor 和mLST8（mTORC1，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1）或mTOR、Rictor、SIN1、Protor 和mLST8（mTORC2，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体2）组成的一种丝氨酸/苏氨酸激酶。对于大多数正常细胞类型生存所必需的细胞代谢、分化、增殖过程来说，mTORC1 和mTORC2 的信号传导具有举足轻重的作用。Nakayama 等的研究mTORC1以及mTORC2在胶质母细胞瘤细胞中可以被SEMA3F 抑制，而且mTORC2的其他靶标，如血清/糖皮质激素调节激酶-1（serum/glucocorticoid-regulated kinase-1，SGK1）和蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），也可被SEMA3F 抑制。总之，SEMA3F-NRP2 复合体是调节PI-3K-Akt/mTOR信号转导活性的。SEMA3F 部分通过调节mTOR 活性抑制可诱导的VEGF 表达。SEMA3F-NRP2 复合体可以使细胞内PI-3K 通路活性受到抑制，减弱具有mTORC2 依赖性的信号传导，降低RhoA（Ras 基因家族同源物A）活性以及减少细胞骨架应力纤维的形成。

4 总结

综上所述，在肿瘤的发生、发展过程中，SEMA3F 以及NRP 扮演了重要角色。SEMA3F 的抗增殖和抗血管生成活性是其与NRP1 和NRP2 相互作用的结果，对于恶性肿瘤转移有着决定性作用。基于目前的研究结果，为防止或延缓恶性肿瘤转移，针对SEMA、NRP 的研究从未停止，SEMA3F 的全身治疗是一种潜在的肿瘤微环境调节剂；然而，SEMA3F 在体内的安全性和稳定性还需进一步确认才能应用于临床。该文章对SEMA及NRP在肿瘤微环境中对肿瘤的发生、发展进行综述，以期对未来更多学者的实验研究提供帮助。